机械设计说明书-Rx型寿命检测机设计

本科毕业设计(论文)题目：Rx型旋钮开关寿命检测机设计IV1.绪论1.1行业近几年市场需求状况发生老化的原因主要是由于结构或组分内部具有易引起老化的弱点，如具有不饱和双键、支链、羰基、末端上的羟基，等等。外界或环境因素主要是阳光、氧气、臭氧、热、水、机械应力、高能辐射、电、工业气体（如二氧化碳、硫化氢等）、海水、盐雾、霉菌、细菌、昆虫等等.常见的老化测试主要有光照老化、湿热老化、热风老化、高低温试验、盐雾腐蚀、臭氧老化、热氧老化试验、埋地土壤腐蚀试验、液体介质老化试验、用户特定条件老化试验等。老化测试是模拟产品在现实使用条件中涉及到的各种因素对产品产生老化的情况进行相应条件加强实验的过程。旋钮开关性能系列测试仪所测试的旋钮开关性能指标是指旋钮开关寿命。旋钮开关性能系列测试仪的测试从宏观上讲可分为两大类，即旋钮开关的耐久性测试和旋钮开关的灵活度及牢固度测试。旋钮开关耐用度测试仪是用来进行旋钮开关寿命测试的专用检测仪器。检测部门用其对生产旋钮开关的企业产品质量进行抽样检测，检测结果是判断旋钮开关是否合格的重要依据。测试时将旋钮开关装在测试仪上，由步进电机通过传动机构带动开关运动，模拟开关的使用状况，测量其使用寿命。不同种类的旋钮开关其开启次数在相关的标准中都有明确地规定。一般开启次数都在1．5万次至10万次之间。我国的旋钮开关产品无论其内在质量还是外观都在不断的改进和完善，使旋钮开关产品在防范盗窃事件的发生、保障国家和人民财产的安全、在环境装饰和家庭装饰中都发挥了重要的作用。它们的寿命同常在几十万甚至几百万次,人工实验显然是不可能的.那么一种能代替人来做这种实验的机器就呼之欲出了.高低温寿测机就是在这样的背景下应运而生的.各种各样的开关电器被应用在航空、航天、交通及一般工业或民用领域，比如微动开关、按钮开关、转换开关、电源开关等。无论何种开关，都是常开触头和常闭触头的组合，这些触头被用来闭合或断开电路。触头经过一定时间的动作以后，会逐渐丧失正常的开闭功能，比如接触不良、触头不动作等，因此任何开关都存在使用寿命。运用在一般工业及民用领域的开关电器，对开关的寿命没有严格的要求，但如果开关被应用到航空、航天和交通等领域时，开关是否良好直接关系到飞机、轮船和汽车运行时的安全，所以必须对开关的寿命提出严格的要求，要求开关制造商标明开关的触头能正常开闭的次数，因此开关制造商在开关出厂前有必要对同一批号的产品进行抽查测试，以掌握开关的确切寿命。开关寿命的传统测试方法是，测试人员通过观察指示灯的亮或灭来判断触头的好坏。指示灯应有的亮或灭的状态是：当开关未动作时，与常开触头相连的指示灯熄灭，与常闭触头相连的指示灯点亮；当开关动作时，与常开触头相连的指示灯点亮，与常闭触头相连的指示灯熄灭。如果某个指示灯的状态未按要求变化，说明该指示灯对应的触头已坏。测试人员在测试时对开关的动作次数进行计数，当检查到某个触头损坏时开关动作的次数就是开关的寿命。开关的寿命一般要求能够动作上万次，有的甚至几十万次，用传统的测试方法完成开关的测试至少存在以下两点不足：一是测试效率极低，因为要使测试人员能正确观察到多个指示灯（开关的触头一般有多个）状态的变化，开关动作的速度就不能过快，测试寿命上万次的开关需要的时间要几个小时，测试寿命几十万次的开关需要的时间要以天来计算；二是多个指示灯长时间的快速亮灭极易损伤测试人员的眼睛。由于这些不足，开关的生产厂迫切需要开关寿命的自动测试系统来取代传统的测试系统。

据有关资料报道，全球开关设备市场这些年来一直呈上升趋势，而中国是市场增长最快为发展中国家，中国是发展中国家中增长最快的市场之一，中国已成为国际第二大市场。中国从某种程度上代表着国际开关市场的发展。

国内电力工业发展是行业发展的“晴雨表”，从其发展不难窥透出行业发展。一般增加电源和电网建设预示着用电的需要增加，也预示着输变送配电设备的需求增加，也预示着行业的发展。这些年来，国民经济的高速发展迫使电力工业迅速发展，据相关资料统计，国内继发电总装机容量在1987年突破1亿KW，1995年3月突破2亿KW，2000年4月突破3亿KW的基础上，用4年时间于2004年5月底突破4亿KW，到2004年底，总装机容量已到4.407亿KW，排世界第二位。

其他相关行业的稳定发展和国家重点工程的顺利进行，为开关行业的发展也提供了保证，如青藏铁路累计完成投资198亿元，西气东输工程2004年年底全线正式商业运营，南水北调东线、中线同时开工建设，5项单项工程累计完成投资21亿元等。当然，相关行业也受到从2003年开始的国家宏观调控政策的影响，甚至对开关行业市场需求量有一定影响，但也使得高压开关市场“缓释”，从某种程度上也减轻了开关行业供应能力不足的压力，对行业长期稳定发展有利。1.2国内产品市场的变化特点根据2004年国内高压开关行业年鉴统计显示，工业总产值现行价增长26.17%，其中高压开关部分产值增长34.88%，工业增加值增长23.47%，销售收入增加31.94%，总利润增加37.13%，其中高压开关部分利润增长23.42%，全员劳动生产率增17.79%，行业各项主要经济指标均表现不错，但增长明显放慢，这同国家宏观调控有很大关系，而工业增加值90不变价仅增长3.4%，同物价增长过快有关，行业去年生产经营总体形势同市场形势吻合。近几年行业总体产量如下图所示。图1.1行业产品产值以上总体来看，行业主要产品市场容量总体在不断上升，行业市场总体容量在持续增加、扩大，这与国家的宏观经济政策和经济强有力、高速发展是密不可分的，是我国电力工业持续高速发展及一大批重点工程项目为高压开关行业的进一步发展提供了广阔的空间和无限的机遇的结果。1.3市场发展趋势分析由于考虑投资、效益等一系列问题，目前用户在产品选型和使用方面也在发生变化，要求产品多样化，这种趋势今后将进一步加强，断路器和传统金属封闭开关设备（开关柜）一统天下的局面将不会存在了，如负荷开关、接触器、重合器、分段器、环网柜、预装式变电站、充气柜（C-GIS）等产品将得到充分使用，小型化、复合化（集成化、紧凑型）的产品（如COMPASS、PASS开关等）、直流开关成套设备使用量将继续增加，智能化、信息化开关设备将进一步得到推广和应用，其它电压等级的开关设备市场（如24、800、1100kV）也将有需求，开关市场将更加“绚丽多彩”，这是供、配电系统和产品综合性能考虑、市场发展日趋成熟和用户个性化的必然结果。无油化开关设备以其诸多优点“纵横天下”，这些年来其使用量和市场占有率一直在迅速增加，今后将依然如此。主要表现为高压、超高压断路器主要是向SF6断路器方向调整和发展，而随着SF6产品价格下降，油断路器产量越来越少，126KV真空断路器也将有所需求；40.5kVSF6开关和真空开关将并驾齐驱向前发展，真空开关占优，12kV产品将主要是向真空方向发展，比重仍将继续增加。这种市场发展趋势也是今后市场发展的主流。不管是供电部门还是用电部门，追求供、配电系统及产品的可靠性，乃至系统和产品的少免维护性能，最大限度提高系统和产品的运行质量和供电质量，以满足用户的要求，并达到节省成本，提高经济效益的目的，这是用户和企业共同的目标，特别是在市场经济发展日趋完善、大陆市场国际化、经济全球化和市场意识、用户意识、质量意识、服务意识不断提高的今天，已尤为重要，因此高可靠性、少免维护型产品市场需求必将快速增长。二十一世纪是信息化时代，供、配电自动化（包括信息化和智能化）建设将是发展的重要内容，用户为了供、配电自动化、状态检修和适时维护（少维护），实现经济、可靠运行，对产品功能要求将越来越高，要求产品具备自动保护、自动调控、在线检测、监测、运行状态监视、自动传递、处理信息和受控操作或智能操作等功能，即将高新技术同传统技术相结合的信息化、智能化产品的市场需求将进一步扩大，今后产品市场向信息化、智能化方向发展的进程必将加快。更具体讲，在信息化、智能化高压开关设备中，数字化智能控制保护单元方面，应集保护、计量、控制、通讯、监测、记录(信息储存)于一体；智能化检测控制系统方面，应具有自诊断、监视、适时维护和趋势分析等功能。国内高压开关市场这些年来，基本采取的都是低价位竞争策略，目前状况依然如此；国际市场一直呈疲软态势，对国内产品出口有一定影响，国内市场竞争将更加激烈，将直接影响市场需求和价格；加入WTO后，境外企业将不断充分参与境内市场的竞争，市场竞争将更加激烈和残酷，价格战是必然结果；国内虽然正在开发附加值、技术含量高的产品，但近几年之内不会对价格提升有太大的作用；所以本课题设计的一种RX开关寿命检测仪就是为了更好的服务产品，这个寿命检测仪不但能检测普通的RX型开关，还可以检测各种带按钮的开关，真正实现了一机多用。1.4自动控制技术在工程和科学发展中，自动控制技术起着极为重要的作用，在21世纪的今天，除了在宇宙飞船、导弹制导、原子反应堆控制和飞机驾驶系统等领域中，自动控制系统具有特殊的地位之外，在国民经济的各个部门，甚至在我们的日常生活中，自动控制系统也都具有不同程度的应用。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用控制机构去使生产过程或被控对象中某一物理量（或多个物理量）能准确的按照期望的规律去运行。当前，在机器制造中，对及其零件的加工、处理和装配，还有在生产过程中，对压力、湿度、流量、粘性的控制，以及原料和燃料的成分的比例控制等方面，以及在国防建设中的飞机自动驾驶、火炮及导弹的自动瞄准、自动跟踪目标等领域，都离不开自动控制系统技术。在受控对象中，需要控制的物理量，随着自动化程度高低而有所不同，或是单个物理量，在一个具体的对象中，有时为完成各个不同的物理变化规律的的控制，需要采用复杂的自动化技术。例如宇宙飞船来说，要把重达数顿的宇宙飞船准确的送入预先计算好的饿轨道，并且一直保持它的特有姿态，这是为了使它的太阳能电池板一直朝向太阳，无线电天线方向一直朝向地球以及飞船内的温度和气压等不变。然而不论自动控制系统有多么复杂，就其本质来说，总不外乎是使某些物理量的变化规律得到控制而已。自动控制技术的应用，不仅使生产过程实现了自动化，极大提高了劳动生产率，使产品的数量和质量都得到提高，而且减轻了人们的劳动强度。这里的劳动强度，除了体力劳动之外，显然还包括紧张的脑力劳动。此外，正是采用了自动控制技术，才能使原先由于人们的生理限制，而无法去直接参与的那些生产方式可以实现，如高温、高压、高速、长时间、大规模、大功率等等生产方式的自动化控制系统，以及原来人们无法实现的生产或技术过程，现在都可借助自动化技术而实现。例如，危险物质的生产、核反应堆、恶劣生产环境下的控制等等。随着科学技术的发展，自动化技术将日益广泛应用于国民经济的各个领域以及我们的日常生活中，同时，在应用中促使自动控制技术有更大的发展。任何技术都是随着科技水平的发展而不断完善、不断进步的。实际中应用的自动化控制系统也在不断引入新技术，实现新的控制手段。计算机的生产和应用，对人类来说，是一个新时期到来的标志。它在科研、生产及生活等各个方面的广泛应用，极大地推动了人类社会的发展。计算机时代的到来成为自工业化革命以来，人类生产力水平发展史上的又一次飞跃，人类的生产生活方式由此带来了巨大的变化。在此之前，自动化控制系统多是由信号采集电路、固态逻辑电路、及控制信号的输出电路组成监控机构，要想改变此类系统的控制规律，就要改变其控制电路的结构。如果要用它来完成复杂的检测控制规律，就要改变其控制电路的结构。如果要用它来完成复杂的监测控制过程，硬件组成会相当复杂而庞大。随着计算机技术的到来，自动控制技术进入计算机控制时代，以计算机为核心的控制系统逐步走进科研、生产等各个领域。计算机的引入，无疑是为自动控制领域注入了新的活力和生机。

2.RX开关破坏分析RX型开关破坏种类很多，比如用来过大直接损坏开关、根部直接断裂。所以我们检测的是一个在重复使用过程中的断裂，最主要的一种形式就是疲劳损坏。疲劳用来表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。国际标准化组织（ISO）在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中对疲劳所做的定义是：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”这一描述也普遍适用于非金属材料。对疲劳可以从不同的角度进行分类。在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏取决于外载的大小。从微观上看，疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关，但从宏观上看，在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称为应力疲劳或高周疲劳；在循环加力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳。本次设计的RX型开关主要检测疲劳断裂的次数。2.1确定疲劳寿命的方法简介确定结构和机械疲劳寿命的方法主要有两类：实验法和实验分析法。实验分析法也称为科学疲劳寿命分析法。确定疲劳寿命的实验法完全依赖于实验，是最传统的方法。他直接通过与实际情况相同或相似的试验来获取所需要的疲劳数据。这种方法虽然可靠，但是在设计阶段，或结构件太复杂、太昂贵时，以及在实际情况的类别数量太庞大的情况下，无论从人力、物力，还是从工作周期上来说，它都是不大可行的。由于工程结构、外载荷和环境差异，使得实验结果不具有通用性。确定疲劳寿命的分析法是依据材料的疲劳性能，对照结构所受到的载荷历程，按分析模型来确定结构的疲劳寿命。伴随着疲劳研究的发展历史，研究人员不断地探索着能更好地预测结构和机械疲劳寿命的疲劳寿命分析方法。任何一个疲劳寿命分析方法都包含有三部分的内容：①材料疲劳行为的描述；②循环载荷下结构的响应；②疲劳累积损伤法则(图2.1所示)。图2.1疲劳寿命分析西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）按照计算疲劳损伤参量的不同可以将疲劳寿命分析方法分为：名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法、能量法、损伤力学法、功率谱密度法等。在工程实践中比较实用的是前三种方法。疲劳寿命分析方法随着计算机技术和有限元分析的发展而得到了广泛的应用。在产品设计阶段，设计人员借助这一方法可以比较不同方案的疲劳寿命品质的优劣，可以校核产品的疲劳寿命是否满足设计要求，还可以进行抗疲劳设计。在产品试验前，通过疲劳分析可以确定疲劳危险部位，以确定疲劳试验过程中监控的关键部位。应根据结构件受循环载荷的应力水平高低和所掌握的材料疲劳性能数据、曲线来适当选择分析方法。由于实际结构件所承受的循环载荷通常是变幅的，因此在选取了适当的疲劳分析方法后，寿命估算大体需要三个步骤：（1）由工程方法或数值分析方法计算结构件危险部位的应力应变范围（变幅）；（2）由应力应变范围根据材料疲劳性能数据、曲线获得对应的疲劳寿命；（3）利用累积损伤理论，计算整个载荷谱的疲劳损伤，进而获得结构件的安全寿命。2.2名义应力法名义应力法是最早形成的抗疲劳设计方法,它以材料或零件的S-N曲线为基础，对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳损伤累积理论，校核疲劳强度或计算疲劳寿命。名义应力法假定：对于相同材料制成的任意构件，只要应力集中系数相同，载荷谱相同。其模型如图5所示。这一分析方法中名义应力和应力集中系数为控制参数。图中为应力集中系数，为加在试件上的名义应力。2.2.1名义应力法估算结构疲劳寿命的步骤名义应力法估算结构疲劳寿命的步骤如图2.3所示：图2.2名义应力法疲劳寿命估算的步骤（1）确定结构件中的疲劳危险部位；（2）求出危险部位的名义应力和应力集中系数；（3）根据载荷谱确定危险部位的名义应力谱；（4）应力插值法求出当前应力集中系数和应力水平下的S-N曲线。（5）应用疲劳损伤累积理论，求出危险部位的疲劳寿命。2.3材料性能数据名义应力法计算疲劳寿命所需的材料性能数据是：对于有限寿命分析，需要各种下的材料的S-N曲线或等寿命曲线；对于无限寿命设计，需要各种下材料的疲劳极限图。尽管目前已积累了大量的S-N曲线，但是实际结构和载荷是复杂的，新材料在不断产生并在工程实践中得到应用，因此现有的S-N曲线是远远不够的。根据名义应力和应力集中系数查S-N曲线通常都要进行多次插值计算。首要插值得到当前下的S-N曲线族（如图7），然后插值得到当前平均应力或应力比下的S-N曲线族（如图8所示），最后插值求得当前或下的疲劳寿命。在工程实践中，由于某些试验数据点因样本小而偏离正常值，使得插值结果不稳定，甚至不可用。为保证插值计算的稳定性，可采用下面方法进行多项式插值计算。图2.3不同下的S-N曲线图2.4不同下的S-N曲线根据S-N曲线的形状，采用多项式插值其次数不宜高于2次。为使插值结果比较稳定，先选取插值点附近n个实验数据点拟合多项式，求出多项式的系数，然后求出插值点处的值。一般，插值多项式为（2.1）对于n个实验数据点（，），按式（2.1）有：（2.2）或记作：式中采用最小二乘法计算系数A：将插值点和系数A带入式（2.2），就可得到所要的插值结果。因为S-N曲线在半对数坐标系上较好地符合二次曲线，所以当代表疲劳寿命时，要先对实验数据求对数，然后再插值。在名义应力法的发展中，除了传统的名义应力法外，还出现应力严重系数（SSF）法、有效应力法、细节额定系数法（DRF）等。SSF法是针对航空结构紧固件疲劳问题而发展起来的一种抗疲劳设计方法，在航空结构的抗疲劳设计中发挥了很好的作用。本文设计的RX型开关主要应用的就是一些工程塑料等材料。

3.寿命检测机设计结构件所存在的缺口是一切工程结构的“薄弱环节”。无论是在静载、疲劳载荷，还是动载荷下，结构的强度都取决于缺口强度。缺口通常控制着整个结构件的强度和寿命。在疲劳研究史上，有许多学者已经注意到应力峰值点周围的应力梯度与应力应变场对疲劳寿命或疲劳强度的影响。按照材料的破坏机理和疲劳损伤的微观、细观与宏观研究结果，本文提出了一个辩证地处理缺口的局部和整体的参数-场强来反映缺口件受载的严重程度，并假定：若缺口根部的应力场强度的历程与光滑试件的应力场强度的历程相同，则两者具有相同的寿命，开关的设计图纸见下图3.1所示：图3.1被检测零件3.1检测方案RX型开关检测方法很多，方案一：开关底部固定，同时上部通过电机带动一个固定轴旋转。固定轴底部连接旋钮开关，通过电机的旋转带动旋钮，这个通过电机的来回旋转从而使得开关来回旋转。这样来回旋转几百万次后检查开关的好坏程度，然后已经损坏，然后检查电机的旋转次数，电机的旋转次数可以通过安装在电机上面的传感器检测到。这样就通过电机的旋转次数就可以间接的检测出RX型开关的寿命。方案二：在方案一的基础上在添加一个上下的自由度，因为开关在使用过程中不可能只收旋转的力也有可能受到上下左右的力，上下的自由度可以通过导轨以及电机的旋转来实现上下自由度的移动。方案比较：方案一的优点是结构简单，制造成本低检测仪的可靠性高。缺点就是仅仅只检测旋转的方向，不能更充分的模拟使用过程，所以检测的结构不一定准确。方案二的缺点是制造成本高，结构复杂检测仪的可靠性不是太高。优点是更充分的模拟了使用过程检测的结果更准确。所以本次设计的RX型开关寿命检测仪选择方案二，具体方案如下：检测机构2.驱动机构3.导轨4.固定座5.水平驱动机构6.联轴器7.底座图3.2RX型开关寿命检测仪3.2总体方案设计要求（1）寿命检测仪，在保证一定精度的前提下应简化结构,检测仪的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（2）检测仪的机械部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。（3）寿命检测仪应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环等，因此，电气系统选连续控制系统。（4）寿命检测机一般采用8位微机。在8位微机中，MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选MCS—51系列单片机扩展系统。（5）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，还应包括光电脉冲发生器和其他辅助电路。3.3进给系统机械结构设计进给系统需要设计的主要部分有挂轮架、进给箱、开关夹头等。进给箱部分：在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。夹头部分：主要是用来加持开关旋钮，这个部位非常重要，因为夹头的目的是用来加持旋钮用力要适中不然很容易夹坏，这样就失去了本来的意义了。进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算阻力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如图3.3所示：图3.3进给系统计算简图3.4确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使检测机执行部件产生的进给量,它是衡量检测机纵向进给精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据检测机精度的要求来确定。对经济型检测机来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。3.5丝杠螺母副的型号选择与校核3.5.1最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。这里就是检测机横梁上固定的检测机构上下运动时候的重力以及阻力，则用公式3.1计算工作载荷的大小。（3.1）施加外力时的抗力有Fx﹑Fy﹑Fz，阻力力Fz与主速度方向一致垂直向下，是计算主检测机构电机功率的主要依据。旋转阻力Fy与纵向进给垂直，影响进给精度或已表面质量。进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统时要用它。纵向进给时，根据设计参数，参考《机械制造技术基础》，选取检测机进给的，f=0.5mm,,检测机的进给可以用下式计算：（3.2）Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4得：Fx=130(N)Fy=214(N)因为夹头装夹在拖板上的检测机构内，夹头受到的抗力将传递到进给拖板和导轨上，检测机作业时作用在进给托板的载荷﹑Fv和Fc与开关所受到的抗力有对应关系。因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出：托板上的进给方向载荷=Fx=130(N)托板上的垂直方向载荷Fv=Fz=360(N)托板上的横向载荷Fc=Fy=244(N)因此，最大工作载荷（3.3）=1.15×1340+0.04×(5360+90×9.8)=170.68(N)对于三角形导轨K=1.15,=0.03～0.05,选=0.04(因为是贴塑导轨)，G是纵向﹑横向溜板箱和夹头的重量，选纵向﹑横向溜板箱的重量为7.5kg,检测机构重量为15kg.3.5.2最大动载荷C的计算滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，可用式计算：C=QUOTEfmFm（3.4）L为工作寿命，单位为10r，L=60nt／10;n为丝杠转速（r／min）,n=1000v／L0;v为最大阻力条件下的进给速度（m／min）,可取最高进给速度的1/2～1/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得L0=12mm;fm为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取fm=1.5.V纵向=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/minn纵向=v纵向×1/2/L0=2226×1/2/12=92.75r/min∴L=60nt/106=60×92.75×15000/106=83.5则C=QUOTEfmFm=QUOTE×1.5×1790.68=11740（N）初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大载荷C;因此有Ca＞C=140N另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷Fm,一般使Coa/Fm=2～3.初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。因此初选滚珠丝杠的型号为:CD63×8-3.5-E，主要参数为Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,λ=，圈数×列数:3.5×1图3.4滚珠丝杆传动示意图3.5.3纵向滚珠丝杠的校核1）传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为ηη=tλ/tg(λ+φ)=tg/tg(+)=0.922）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。丝杠的拉压变形量δ1δ1=±Fml/EA=±1790.68×2280/20.6×10×π×(31.5)2=0.0064mm滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2采用有预紧的方式，因此用公式δ2=0.0013×=0.0013×QUOTE=0.0028mm在这里Fyj=1/3Fm=1/3×1790.68=597NZ=πdm/Dw=3.14×63/4.763=41.53Z∑=41.53×3.5×1=145.36丝杠的总变形量δ=δ1+δ2=0.0064+0.0028=0.0092mm<0.015mm，查表知E级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格。压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为FkFk=fz2EI/L2式中：E为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6×104Mpa；I为截面惯性矩，对丝杠圆截面I=πdl4/64(mm4)(dl为丝杠的底径)；L为丝杠的最大工作长度（mm）；fz为丝杠的支撑方式系数由表3.1查得。表3.1丝杠的支撑方式系数表方式两端端自由一端固定一端自由两端固定两端简支Fz0.252.04.01.0由Fk=fzπ2EI/L2且fz==2.0，E=20.6×104Mpa，I=πdl4/64mm4,L=2800mm为丝杠的长度。由于I=πdl4/64=π(63-5.953)4/64=3.14×57.0474/64=519614mmFk=2×3.142×20.6×104×519614/28002=276276Nk=276276/1875=149>>4所以丝杠很稳定。3.6纵向螺母副的选择与校核3.6.1型号选择1）最大工作载荷计算由于导向为贴塑导轨，则：k=1.4=0.05,为工作台进给方向载荷，=1340N,Fv=5360N,Fc=2144N,G=60kg,t=15000h,最大工作载荷：Fm=k+(Fv+2Fc+G)（3.5）=1.4×1340+0.05×(5360+2×2144+9.8×60)=2387.8N2）最大动载荷的计算V横=1400r/min×0.79mm/r=1106mm/minn横丝=v横×1/2/L0纵=1106×1/2/4=138.25r/minL=60nt/=60×138.25×15000/106=124.43C=QUOTEfmFm=QUOTE×1.5×2387.8=17881.2N∴初选滚珠丝杠型号为：CD50×6-3.5-E其基本参数为Dw=3.969mm,λ=,L0=6mm,dm=50mm,圈数×列数：3.5×13.6.2横向滚珠丝杠的校核1）传动效率η计算η==tgλ/tg(λ+φ)=tg/tg(+)=0.932)刚度验算1.丝杠的拉压变形量δ1=±Fm×L/EA=±3440.4×320/20.6×104×π×252=±0.0027mm2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2=0.0013×QUOTE=0.0013×QUOTEQUOTE=0.0079mm在这里Fyj=Fm/3=2387.8/3=795.9NZ=πdm/Dw=3.14×50/3.969=39.56Z∑=39.56×3.5×1=138.46丝杠的总变形量δ=δ1+δ2=0.0027+0.0079=0.0124mm<0.015mm查表知E级精度允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格。3.7强度校核一般来说，在进行机构校核时，需要计算主梁跨中截面危险点①、②、③点的强度。如图所示：图3.5检测机危险点3.7.1检测机上边缘点①的应力：检测机边至轨顶的距离为：板边的局部压应力为：垂直弯矩产生的应力为：水平弯矩产生的应力为：惯性载荷与侧向力对检测机衡量产生的轴向力较小且作用方向相反，应力很小，故不计算。检测机主梁上翼缘的静矩为：主腹板上边的切应力：点①的折算应力为：3.7.2点②的应力：②点受到约束扭转的影响，常乘以简化系数（1.15）计算:3.7.3点③的应力为：3.7.4主梁跨端的切应力为：检测机主要跨端截面变小，为便于主、端梁的连接和车轮安装，取腹板高度等于端梁高度，跨端主要受剪切应力，故只需计算切应力大小。主腹板，承受垂直剪力及扭矩，故主腹板中点切应力为：（3.6）主梁跨端封闭截面的面积为：代入上式：副腹板中两切应力反向，可以不计算。翼缘板，承受水平剪切力及扭矩。。根据以上的应力分析，本次设计的RX型开关寿命检测仪的衡量校核部分设计合格。3.8检验台电机的选型及检验机构的基本原理3.8.1检验台电机的选型伺服电机（servomotor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。在本次设计中，将选取安川伺服电机SGMGH-06A作为电机，他的基本参数如表3.2所示。表3.2安川伺服电机SGMGH-06A基本参数电机型号额定电压/V额定功率/W额定转矩/N·mm额定转速/r·SGMGH-06A2006000.615003.8.2检验装置的基本原理本次设计采用的是步进电机接四杆机构连动三个曲柄摇杆装置来检测开关所组成的机构，其基本原理结构图如下：图3.6检测装置基本原理结构图其中A0、A1、A2为三根固定轴，A0由电机直接驱动，A1、A2被连杆联动，B0、B1、B2、C0、C1、C2、E0、E1、E2为连杆连接器，D0、D1、D2为固定检测轴，连接最终检测装置。3.9检验装置的设计3.9.1检测装置曲柄摇杆及四杆连动装置的设计（1）曲柄摇杆设计本次设计中我们选用摇杆摆角为60°，行程变化系数K为1.4，摇杆长度为80mm，曲柄长度为40mm。做出原理简图如图3.7所示。图3.7曲柄摇杆装置结构简图根据图中数据可计算出长度为108.56mm。（2）四杆机构设计四杆装置较为简单，我们取固定杆AD距为80mm，摇杆BC为80mm，==40mm，其结构简图如图3.8所示。图3.8四杆机构结构简图。3.9.2检测装置轴的设计（1）检验装置轴的选材轴类零件的失效方式主要有疲劳断裂；过量变形以及表面过度磨损等几种。轴类零件的材料需要以下性能：良好的综合机械性能；高的疲劳强度；足够的淬透性；良好的切削加工性能。而轴类零件的材料大致分为：1）优质碳素钢该类材料对应力集中的敏感性较小，价格较低，是轴类零件最常用的材料。2）合金钢对于要求重载、高温、结构尺寸小、重量轻等使用场合的轴，可以选用合金纲。3）铸铁对于形状比较复杂的轴，可以选用球墨铸铁和高强度的铸铁。在本次RX型旋钮开关寿命检测机设计中，我们检验台轴主要需要考虑的是质量轻且结构尺寸小以及适合高速旋转。因此，我们选用更耐磨的合金钢为材料。在这里，我们选择合金钢40Cr为材料。（2）检验装置轴的结构设计根据轴在工作中的作用，轴的结构取决于：轴在机器中的安装位置和形式，轴上零件的类型和尺寸，载荷的性质、大小、方向和分布状况，轴的加工工艺等多个因素。合理的结构设计应满足：轴上零件布置合理，从而轴受力合理有利于提高强度和刚度；轴和轴上零件必须有准确的工作位置；轴上零件装拆调整方便；轴具有良好的加工工艺性；节省材料等。在本次设计中，我们的主轴直接连接电机，因此主轴只需简单的固定在装置上即可。又因为本次设计所需的转速较高，因此，电机与主轴相连处采用膜片联轴器相互连理。设计简图如图3.9所示：图3.9主轴设计简图而从动轴则不需要再次与电机相连，其设计简图如图3.10所示：图3.10从动轴设计简图检测轴需要与开关加持装置、杆件相连接，可以设计成与主轴相同的结构。其设计简图如图3.11所示：图3.11检测轴设计简图3.9.3轴的强度校核计算进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。对于传动轴应按扭转强度条件计算。对于心轴应按弯曲强度条件计算。对于转轴应按弯扭合成强度条件计算。在我们本次设计中，应当选用扭转强度条件计算。实心轴的扭转强度条件为：（3.7）式中：为扭转切应力，Mpa；T为轴所受的扭矩，N·mm；n为轴的转速，r/min；为轴的抗扭截面系数，；P为轴传递的功率，KW；d为计算截面处轴的直径，mm；为许用扭转切应力，MPa，见表3.3所示。表3.3轴常用几种材料的与轴的材料Q235、2035451Cr18Ni9Ti40Cr、35SiMn、2Cr13、42SiMn/MPa12-20160-13520-30135-11830-40118-10715-25148-12540-52100.7-98由上式可得轴的直径（3.8）在本次设计中，伺服电机直接连接轴转动，且需要传动其余五根轴，因此，其电机的额定功率的6倍、额定扭矩、电机转速即为轴的传递功率P、所受扭矩T与轴的转速n。带入上式可得：==13.39又因为本次设计的轴有三个键槽，且直径小于100mm，所以应增大20%的强度防止意外发生。=16.068因此本次设计的轴连接面直径不得小于16.068mm，我们在此取直径为20mm的作为轴连接面的直径。3.10检验台轴轴承设计3.10.1轴承性能（1）深沟球轴承1）结构特点一般由内圈、外圈、保持架和一组钢球组成，是使用最为简单、广泛、和价格较低的一种轴承。2）载荷及转速特性主要承受径向载荷，但也用于承受径向和轴向的联合载荷，其中轴向载荷不应超过未被利用的径向载荷的70%；在转速很高不宜采用推力轴承时，本轴承可以承受双向纯轴向载荷；此时轴承所承受的轴向载荷一般不应超过0.25~0.5C；3）轴向限位能力与对轴线歪斜的敏感性深沟球轴承可以将轴（外壳）的两面轴向移动限制在轴承的轴向游隙内，轴承的内圈（轴）相对于外圈（外壳）的相对位置误差应加以控制，两轴线的相互倾斜角一般不宜超过2′~10′双列深沟球轴承的相互倾斜角一般不宜超过2′，在这个限度内轴承能正常工作。当轴承游隙增大时，倾斜角也相应增大，并且具有角接触球轴承的特性，可承受较大的轴向载荷，但轴承的倾斜角愈大，轴承使用寿命也随之有所缩短，并会出现较大的运行噪音。4）适用范围与外型尺寸相同的其它类轴承相比，具有摩擦力最小、允许转速最高的特点，适用于刚性的双支承轴，支承间距离小于轴承内径十倍的短轴。（2）调心球轴承1）结构特点一般有两列钢球，外圈的内滚道表面为内球面、在内圈轴线与外圈轴线有较大的倾斜时仍能正常工作。2）载荷及转速特性主要承受径向载荷，但也可同时承受较小的轴向载荷，不能承受纯轴向载荷，因为在纯轴向载荷作用下会只有一列滚子在工作，会大大减少轴承寿命，允许的转速低于深沟球轴承。3）轴向限位能力与对轴线歪斜的敏感性这类轴承可以将轴（外壳）的两面轴向移动限制在轴承的轴向游隙内，但轴向限位的精度较低，对轴线歪斜误差的补偿能力最强，轴承的内圈（轴）相对于外圈（外壳）的相互倾斜角一般可达2°~3°，实际许用的倾角取决于轴承的配置设计及密封形式。4）适用范围适用于多支承的传动轴，在外载荷的作用下有较大弯曲的双支承轴，轴承在外壳配合处不能保证严格同轴度的机构中，还可以用于车辆经受颠簸的轮轴上。（3）圆柱滚子轴承1）结构特点与深沟球轴承相比，用圆柱滚子代替钢球，用母线滚道代替球沟。2）载荷及转速特性一般用来承受径向载荷，能力比球轴承大1.7倍，普通单列不能承受轴向载荷，常与承受轴向力的其他轴承联合使用。允许的转速低于球轴承，在滚子轴承中却是允许工作转速最高的一种。3）轴向限位能力与对轴线歪斜的敏感性外圈或内圈无挡边的轴承没有轴向移动限制能力，轴承对安装误差十分敏感，同时要求轴的刚度好，不宜有过大的弯曲，以免内外圈轴线相对倾斜，破坏滚子与滚道的均匀线接触，两轴线的相互倾斜角一般不宜超过2′~4′。4）适用范围可适用于内圈、外圈要求分别安装的机构，宜用于刚性的双支承刚性短轴，当轴的伸长显著时，其中一端支承内圈或外圈无挡边的圆柱滚子轴承，此时另一侧应采用对轴在两侧都有限位能力的轴承。因此我们此次设计选用深沟球轴承。3.10.2轴承的选取根据选用的轴的各项参数为基础，考虑到我们检验台的重量轻；转速高以及体积小等特点。我们选取的轴承以及其尺寸参数如表3.4所示。表3.4轴承参数及使用位置轴承型号外形尺寸（mm）使用位置dDB6901CE6803CEK81703K817011217171224263530654.53.5轴顶端轴底端主轴及从动轴检测周及升速轴3.11检测装置其余设计剩余各项零件均较为简单，因此在这里不加复述，其简图如图3.12所示。图3.12其余各部分零件简图

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